Wie die Verteilung von Proteinen für Neuronen funktioniert

Um Informationen zu speichern und zu verarbeiten, produziert und verteilt das Gehirn ständig Proteine, die wesentlichen zellulären Ressourcen, wobei Synapsen im Durchschnitt über 100000 Billionen Proteine pro Tag im Gehirn verbrauchen. Neuronen verarbeiten ständig Informationen von Tausenden von Synapsen, wobei diese zahlreich auf Dendriten sitzen, die bis zu hunderte Mikrometer vom Zellkörper entfernt sein können, sodass die Verteilung von Proteinen für Neuronen eine besondere logistische Herausforderung darstellt. Statt nur als zentrale Quelle den Zellkörper zu nutzen, was angesichts des großen neuronalen Volumens ziemlich ineffizient wäre, haben Neuronen eine lokale Lösung gefunden, denn sie setzen Ribosomen sowie Boten-RNAs an lokalen Knotenpunkten ein, denn diese können entfernte Populationen von Synapsen versorgen. Während die lokale Proteinsynthese für verschiedene Mechanismen der synaptischen Plastizität erforderlich ist, ist die Häufigkeit und Verteilung von Ribosomen und neu synthetisierten Proteinen in der Nähe von Synapsen bisher wenig erforscht.

Sun et al. (2021) haben nun eine enge räumliche Beziehung zwischen der Proteinproduktionsmaschinerie und den Produkten in Neuronen dargestellt, wobei die Ergebnisse auf die gemeinsame Nutzung lokaler Ressourcen hindeuten, also auf eine Nachbarschaft von Synapsen. Die Forscher entdeckten Ribosomen in der Nähe von etwa fünfundachtzig Prozent der Synapsen, mit durchschnittlich zwei Orten der Proteinproduktion pro Synapse. Überraschenderweise war fast die Hälfte der entstehenden Proteinprodukte in der Nähe von Synapsen verteilt. Das deutet darauf hin, dass die lokale Proteinproduktion in der Nähe von Synapsen auch unter grundlegenden Bedingungen weit verbreitet ist. Um die Dynamik der lokalen Proteinverteilung zwischen benachbarten Synapsen während spontaner neuronaler Aktivität zu untersuchen, stimulierten man Neuronen sowohl global als auch lokal mit hoher räumlicher Präzision. Es stellte sich heraus, dass die synaptische Aktivität ein guter Indikator für die lokale Proteinversorgung ist, wobei interessanterweise die globale Proteinverteilung im Neuron zwar homogen war, aber benachbarte Synapsen wiesen oft sehr heterogene Proteinversorgungsniveaus auf und dieser lokale Unterschied bleibt sowohl während der globalen als auch der lokalen synaptischen Plastizität bestehen. Dieses logistische Schema könnte nach Ansicht der ForscherInnen eine gute Lösung sein, um die Homöostase der gesamten Synapsenpopulation aufrechtzuerhalten und gleichzeitig lokale Vielfalt zu ermöglichen.

Literatur

Chao Sun, Andreas Nold, Claudia M. Fusco, Vidhya Rangaraju, Tatjana Tchumatchenko, Mike Heilemann, & Erin M. Schuman (2021). The Prevalence and Specificity of Local Protein Synthesis During Neuronal Synaptic Plasticity. Science Advances, doi:sciadv.abj0790.